JP3550843B2 - ペン入力装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は手書き入力機能を有するコンピュータシステム等におけるペン入力装置に関し、特に入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力できるようにして操作性の向上を図ったペン入力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、手書き入力機能を有するコンピュータシステム等における入力装置としては、
1)赤外線方式によるもの
2)感圧方式によるもの
3)静電容量方式によるもの
4)電磁方式によるもの
5)超音波方式によるもの
等が知られている。
【0003】
ここで、1)の赤外線方式によるものとしては、赤外線線を発光するライトペンによるスポット位置を半導体位置検出素子を用いて検出するもの、入力面に複数の赤外線発光素子および受光素子を配設して、赤外線発光素子から発光された赤外線が指、入力ペン等により遮られた位置を受光素子の出力から判別することにより指示位置を検出するもの等が知られている。
【0004】
また、2)の感圧方式によるものとしては、複数のX軸電極が配設された電極シートと複数のY軸電極が配設された支持体とをドットスペーサを介在させて重ね合わせた感圧パネルを用いたもの、平行する2枚のプレートを3次元スプリングを介して重ね合わせ、指、入力ペン等により触れた位置の電流の変化を検出することにより指示位置を検出するもの等が知られている。
【0005】
また、3)の静電容量方式によるものとしては、2枚のガラス上に蒸着形成された導電性の膜をそれぞれX軸、Y軸電極パターンとしてこの2枚のガラスを電極パターン形成面を向かい合わせて張り合わせた静電容量結合方式パネルを用いたもの等が知られている。
【0006】
更に、4)の電磁方式によるものとしては、入力面に複数のセンサアンテナコイルを配設するとともに、入力ペンにはコイルとコンデンサからなる共振回路を内蔵させ、まず上記複数のセンサアンテナコイルに交流電流を流すことにより電磁誘導を利用して上記入力ペンの共振回路に電流を流し、次に上記複数のセンサアンテナコイルに流した交流電流をを切り、この状態で上記上記入力ペンの共振回路に流れる電流により発生する磁界を上記複数のセンサアンテナコイルで検出することにより入力ペンの指示位置を検出するもの等が知られている。
【0007】
また、5)の超音波方式によるものとしては、
a)ガラス基板上に超音波表面弾性波を発生する超音波振動素子および超音波受信素子を配設し、指等の弾性波吸収体の存在を上記超音波受信素子の受信信号の変化から検出する超音波表面弾性波方式によるもの
b)特開昭64−10319号に開示されているように、スクリーンパネルの表面に少なくとも2つの超音波送受信機のセットを実装し、上記各セットの超音波送受信機から送出された超音波が上記スクリーンパネルで所望の位置を指示しているスタイラスペンで反射され該セットの超音波送受信機で受信されるまでの時間から上記スタイラスペンで指示されている上記スクリーンパネル上の位置を演算算出するようにしたもの
c)実開昭64−7340号に開示されているように、同一平面上の既知な3点以上の点にマイクロホンを配設するとともに、上記平面上の任意の座標位置に置くことのできる発音体を設け、上記マイクロホンの中の2つのマイクロホンに発生する電圧の時間差から上記発音体を含む双曲線の位置を決定し、この双曲線の2本以上の交点から上記発音体の座標位置を決定するようにしたもの
等が知られている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の1)〜4)の入力装置はいずれも構造が複雑であり、製造コストが高価になるという問題がある。また、任意サイズ、種類の入力面(ディスプレイ)への適用が困難である。
【0009】
また、5)のa)のものもその製造が難しく、製造コストが高価になるという問題があり、1)〜4)と同様に任意サイズ、種類の入力面(ディスプレイ)への適用が困難であるという問題がある。
【0010】
更に、5)のb)のものは、操作者の手などとスタイラスペンとの区別が不可能であり、それに起因して誤動作を引き起こす可能性が高いという問題がある。
また、5)のc)のものは、例えばスタイラスペンの2次元座標上での指示位置を検出するためには、少なくとも3個のマイクロホンを配設する必要があり、その処理も複雑になるという問題がある。
【0011】
そこで、スタイラスペンに所定の送信タイミングで超音波を送出する超音波発信手段を設け、このスタイラスペンから送出される超音波を受信側に配設された複数の超音波受信素子で受信し、更にこの受信側において上記スタイラスペンからの超音波送信タイミングを認識できるようにし、これにより複数の超音波受信素子におけるでスタイラスペンからの超音波受信タイミング、すなわちスタイラスペンから超音波が送信されてから上記複数の超音波受信素子でその超音波を受信するまでの時間を計測することにより、その計測結果から上記スタイラスペンによる指示位置を検出する構成が考えられている。
【0012】
しかし、上記構成において、例えば、スタイラスペンのよる描画画像を手書き入力として入力するような場合には、その手書き入力の開始位置を受信側に知らせる必要がある。
【0013】
この場合は、スタイラスペンに描画ボタンを設け、この描画ボタンの操作を上記超音波を用いて受信側に知らせるように構成される。具体的には、上記スタイラスペンからの超音波送信タイミングをスタイラスペンの位置検出用と描画ボタンの操作検出用とに区別し、この区別を受信側であらかじめ認識できるようにして行われる。
【0014】
しかし、この構成によると、
1)スタイラスペンに描画ボタンを設ける必要がある
2)描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを設けることにより、スタイラスペンの位置検出用の超音波送信タイミングの発生間隔が長くなり滑らかな描画データが得られなくなる
3)複数のスタイラスペンを同時に使用可能にするマルチペン機能を採用する場合においては、2)の不都合は更に顕著になる
という問題が生じる。
【0015】
一般に、例えば、スタイラスペンによる描画結果を表示するディスプレイサイズを70インチ程度とした場合、滑らかな描画の表示を可能にするためにはおよそ25msec程度の間隔でスタイラスペンの位置を検出する必要があり、また、スタイラスペンからの超音波送信タイミングの間隔は6msec程度必要であるが、描画ボタンの操作検出用の超音波送信タイミングを設けるとスタイラスペンの位置の検出間隔は12msecとなり、滑らかな描画の表示を可能にするには、同時に2本のスタイラスペンしか使用できない。
【0016】
そこで、この発明は、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することができ、しかも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな描画入力を行うことができるようにしたペン入力装置を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、請求項1の発明は、所定の入力面に対する入力ペン(1)による指示位置を入力するペン入力装置において、前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段(6)と、前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設され、前記超音波発信手段から発信されて前記入力ペンのペン先から放射される超音波を受信する複数の超音波受信素子(31a、31b、31c)と、前記入力ペンと分離して設けられ、所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段(35)と、前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期して前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御手段(11)と、前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号を基準としてそれぞれ検出する受信タイミング検出手段(70)と、前記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示装置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンのペン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段(2,3,4)と、前記受信タイミング検出手段で検出した前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングおよび前記入力ペンのペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記超音波発信手段から前記ペン芯の先端までの距離に基づき前記所定の入力面に対する前記ペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記ペン芯の先端の仮想的3次元的位置を演算する演算手段(40)と、前記演算手段で演算された前記ペン芯の先端の仮想的3次元的位置が前記所定の入力面から所定の距離入った内側の位置である場合は、該位置に対応する前記所定の入力面上の位置を前記入力ペンによる指示位置として判別する判別手段と(43)とを具備することを特徴とする。
【0018】
また、請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記所定の入力面は、前記入力ペンにより描画された画像を表示する表示装置(50)の表示画面上に設定されることを特徴とする。
また、請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記同期信号発生手段は、前記入力ペンの不使用時に該入力ペンを収容するペンホルダ(34)に設けられ、前記送信タイミング制御手段は、前記入力ペンが前記ペンホルダに収容された状態で前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期させることを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
この発明のペン入力装置においては、先端を表示装置の表示面上に当接させることにより入力ペンのペン芯を所定量だけ入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段を設けた入力ペンを用いる。入力ペンの先端の3次元的位置を複数の超音波受信素子の受信出力に基づき検出する。ここで、ペン芯の先端の3次元的位置が所定の入力面の後ろ側にあると検出された場合は、入力ペンの先端が表示装置の表示面上に当接されていることを意味するので、この検出に基づき、例えば描画の開始点として判別する。
【0020】
このような構成によると、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することが可能になる。
【0021】
以下、この発明に係わるペン入力装置の実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
【0022】
図1は、この発明に係わるペン入力装置を適用して構成した情報処理装置の一実施例の概略構成をブロック図で示したものである。
【0023】
図1において、この実施例の情報処理装置は入力ペン(以下これをスタイラスペンという)1を用いて表示部50の表示画面上で指示された指示位置に対応する画像を表示部50の表示画面上に表示するものである。
【0024】
この実施例において、スタイラスペン1には後に詳述するようにその先端から超音波を出力する超音波発信手段が設けられており、この超音波発信手段から送出される超音波に基づき表示部50の表示画面上における指示位置を検出してこの指示位置に対応する画像を表示部50の表示画面上に表示する。
【0025】
すなわち、この実施例の情報処理装置はスタイラスペン1から発生された超音波を受信する3個の超音波受信素子31a、31b、31cこの3個の超音波受信素子31a、31b、31cの受信出力を処理する超音波受信部30、この超音波受信部30の処理結果に基づきスタイラスペン1による指示位置を演算してこの指示位置に対応する画像の表示部50における表示制御を行う演算処理部40を具備して構成される。
【0026】
この実施例の情報処理装置の外観は、例えば図2に示すように構成されており、表示部50の表示画面に対して所定の位置関係で3個の超音波受信素子31a、31b、31cが配設されており、また上記超音波受信部30および演算処理部40はこの情報処理装置本体100内に内蔵されている。
【0027】
また、表示部50の表示画面の近傍には、図2に示すように、スタイラスペン1の不使用時にこのスタイラスペン1を収容するためのペンホルダ34が設けられている。ここで、このペンホルダ34には、後に詳述するように、このスタイラスペンから送出される超音波の送出タイミングと超音波受信部30における超音波受信処理との同期をとるための同期回路が設けられている。
【0028】
また、この実施例において、スタイラスペン1はコードレスのスタイラスペンとして構成され、このスタイラスペン1の駆動電源はスタイラスペン1に内蔵された二次電池が用いられており、上記ペンホルダ34はこの二次電池を充電するためのアダプタとしての機能も有している。
【0029】
まず、この実施例における3個の超音波受信素子31a、31b、31cの受信出力に基づき表示部50の表示画面上に対するスタイラスペン1による指示位置を3次元的に検出する原理を説明する。
【0030】
図3は、表示部50の表示画面に対して所定の位置関係で配設された3個の超音波受信素子31a、31b、31cとスタイラスペン1による指示位置の関係を示したものである。
【0031】
今、3次元的に配設された3つの超音波受信素子31a、31b、31cに固定された3次元座標系X−Y−Zを考える。
【0032】
ここで、超音波受信素子31aは、この3次元座標系X−Y−Zの原点に配設されており、超音波受信素子31bは、この3次元座標系X−Y−ZのY軸上の点(0、Ly、0)に配設され、超音波受信素子31cは、3次元座標系X−Y−ZのZ軸上の点(0、0、Lz)に配設されているとする。
【0033】
また、スタイラスペン1による指示位置が、この3次元座標系X−Y−Z上の点(x、y、z)であるとするとし、超音波受信素子31aから点(x、y、z)までの距離がn、超音波受信素子31bから点(x、y、z)までの距離がm、超音波受信素子31cから点(x、y、z)までの距離がlであるとすると、
ただし、SQRT(A)はAの平方根を示す。
【0034】
となる。ここでLyおよびLzは、超音波受信素子31a、31b、31cの配設位置によって決定される既知の値であるので、超音波受信素子31aから点(x、y、z)までの距離n、超音波受信素子31bから点(x、y、z)までの距離m、超音波受信素子31cから点(x、y、z)までの距離lがわかれば、3次元的に配設された3つの超音波受信素子31a、31b、31cに固定された3次元座標系X−Y−Z上におけるスタイラスペン1による指示位置(x、y、z)を求めることができる。
【0035】
図4は、この実施例で用いるスタイラスペン1の構造を示したものである。図4に示すように、この実施例で用いるスタイラスペン1は、その内部にスプリング4により弾性的に支持され、摺動可能に配設されたペン芯2が配設されており、このペン芯2の先端部2aを図1に示した表示部50の表示面に当接させると、図5に示すように、このペン芯2の先端部2aがスタイラスペン1の内部に移動するように構成されている。
【0036】
また、図6に示すように、このスタイラスペン1の内部には超音波を発生する圧電素子6が固定配設されており、またスタイラスペン1の先端部にはこの圧電素子6から発生された超音波を反射させる略円錐型の超音波反射部7が固定配設されており、更に、このスタイラスペン1の上記超音波反射部7の配設箇所に対応する箇所には、上記超音波反射部7で反射された超音波を外部に送出するための超音波通過窓8が設けられている。
【0037】
なお、図4乃至図6において、3はペン芯2の移動を規制するストッパであり、また5はこのスタイラスペン1の圧電素子6からの超音波の発生を制御する制御回路である。この制御回路5内には、この制御回路5を駆動する電源である2次電池が設けられている。
【0038】
図4乃至図6の構成において、圧電素子6で発生された超音波は超音波反射部7で反射されて、超音波通過窓8を通って外部に送出される。ここで、圧電素子6および超音波反射部7はスタイラスペン1に対して固定的に配設されるが、ペン芯2はスタイラスペン1に対して摺動可能に配設されている。
【0039】
すなわち、ペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させると図5に示したように、このペン芯2はスプリング4の弾性力に抗してストッパ3に当接するまでスタイラスペン1の内部に移動するが、ペン芯2をの先端部2a表示部50の表示面から離すとスプリング4の弾性力により図4に示す状態に復帰するように構成されている。
【0040】
ここで、圧電素子6から超音波通過窓8までの距離はLaに設定されており、また、図4に示すペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させない状態における超音波通過窓8からペン芯2の先端部2aの先端までの距離はLb+Lc、図5に示すペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させた状態における超音波通過窓8からペン芯2の先端部2aの先端までの距離はLbに設定されている。
【0041】
図7は、ペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させない場合と、ペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させた場合における圧電素子6および超音波反射部7の配設位置および超音波通過窓8からペン芯2の先端部2aの先端までの距離の変化の様子を示したものである。
【0042】
すなわち、図7において、ペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させない場合は、圧電素子6からペン芯2の先端部2aまでの距離はLa+Lb+Lcになり、ペン芯2の先端部2aを表示部50の表示面に当接させると、圧電素子6からペン芯2の先端部2aまでの距離はLa+Lbになる。
【0043】
この実施例においては、このLa+Lb+LcとLa+Lbの距離差を利用してこのスタイラスペン1による、例えば描画開始点を指示するように構成されている。
【0044】
すなわち、この実施例においては、後述するように、超音波受信素子31a、31b、31cの超音波受信出力に基づき図4に示した状態におけるこのスタイラスペン1の先端部2aの表示部50の表示面に対する3次元座標座標を算出するように構成されており、ここで、スタイラスペン1の先端部2aが表示部50の表示面に当接された場合は、その算出3次元座標座標は、表示部50の表示面より距離Lcだけ中に入った位置になる。そこで、この場合は、スタイラスペン1の先端部2aが表示部50の表示面に当接されたとして、この点を例えば描画開始点として検出するように構成されている。
【0045】
ところで、この実施例において、超音波受信素子31aからスタイラスペン1による指示位置(x、y、z)までの距離n、超音波受信素子31bからスタイラスペン1による指示位置(x、y、z)までの距離m、超音波受信素子31cからスタイラスペン1による指示位置(x、y、z)までの距離lを、図6に示した圧電素子6で発生されスタイラスペン1の先端、すなわち超音波通過窓8から送出される超音波を用いて検出する。
【0046】
具体的には、この距離n、距離m、距離lの検出は、スタイラスペン1の先端から出力される超音波が超音波受信素子31a、31b、31cで検出するまでの時間Ta、Tb、Tcを検出することにより行われる。
【0047】
ところで、上述したように、この実施例ではスタイラスペン1内に内蔵された圧電素子6から発生された超音波をスタイラスペン1の先端部に配設された反射部7で反射させて超音波通過窓8を通って外部に送出するように構成されているので、上記時間Ta、Tb、Tcは、圧電素子6から発生された超音波が超音波受信素子31a、31b、31cで検出するまでの時間となる。
【0048】
すなわち、上記時間Ta、Tb、Tcには圧電素子6から発生された超音波が超音波通過窓8に到達するまでの時間を含んでいる。したがって、圧電素子6から超音波が超音波通過窓8までの距離はLaであるから、超音波の空間伝達速度をCとすると、上記距離n、距離m、距離lは
n=C×Ta−La …(7)
m=C×Tb−La …(8)
l=C×Tc−La …(9)
により求めることができる。
【0049】
この時間Ta、Tb、Tcを検出する処理は、図1に示す超音波受信部30における受信処理部32で行われる。
【0050】
図8は、この図1に示す超音波受信部30における受信処理部32の具体的構成を示したものである。この実施例では、スタイラスペン1の不使用時にこのスタイラスペン1を収納するペンホルダ35が設けられており、このペンホルダ35には、後に詳述するように、スタイラスペン1の超音波発信手段から出力される超音波の出力タイミングと受信処理部32における受信処理との同期をとる同期回路35が設けられている。
【0051】
この同期回路35は、受信処理部32に設けられた基本クロック生成回路324から出力される基本クロックを計数し、その計数値が一定の値になる毎にスタイラスペン1の超音波発信手段から出力される超音波の出力タイミングを制御する同期信号を出力するように構成されている。
【0052】
また、スタイラスペン1には、上記基本クロック生成回路324と同一の周波数の基本クロックを生成する後に説明する基本クロック生成回路(オシレータ)が設けられており、この基本クロック生成回路は、このスタイラスペン1がペンホルダ35に収納されたときに、上記同期回路35から出力される同期信号を入力して、上記受信処理部32に設けられた基本クロック生成回路324との同期を確立し、このスタイラスペン1をペンホルダ35から取り出した後は、上記同期回路35と同様にこの受信処理部32に設けられた基本クロック生成回路324との同期して動作する基本クロック生成回路から出力される基本クロックを計数し、図9に示すようにその計数値が一定の値になる毎にスタイラスペン1の超音波発信手段から送出される超音波送出タイミングを制御するように構成されている。
【0053】
すなわち、スタイラスペン1をペンホルダ35に収納すると、スタイラスペン1の超音波発信手段からの超音波送出タイミングと受信処理部32における受信処理との同期がとられ、スタイラスペン1の超音波発信手段からの超音波送出タイミングは同期回路35から受信処理部32に加えられる同期信号のタイミングと一致することになる。
【0054】
同期回路35から受信処理部32に加えられる同期信号は、受信処理部32のカウンタ321、322、323のリセット端子に加えられ、カウンタ321、322、323はこの同期信号に同期してクリアされる。
【0055】
また、カウンタ321、322、323の計数入力端子には基本クロック生成回路324から出力される基本クロックが入力され、またこのカウンタ321、322、323の計数停止を制御する制御入力端子には、スタイラスペン1の先端から出力される超音波を受信したときに超音波受信素子31a、31b、31cからそれぞれ出力される受信クロックが入力されている。
【0056】
すなわち、カウンタ321、322、323は、スタイラスペン1の先端からの超音波送出タイミングで同時にリセットされ、それぞれ超音波受信素子31a、31b、31cから受信クロックが入力されるまで基本クロック生成回路324から出力される基本クロックを計数し、その結果、カウンタ321、322、323の計数値は、スタイラスペン1の先端から出力される超音波が超音波受信素子31a、31b、31cで検出するまでの時間Ta、Tb、Tcに対応するものになる。
【0057】
図10は、このカウンタ321、322、323による時間Ta、Tb、Tcの検出動作をタイミングチャートで示したものである。
【0058】
すなわち、スタイラスペン1の基本クロック生成回路は図10の(a)に示す基本クロックを生成し、図10の(b)に示す同期信号の立上がりに同期してスタイラスペン1の先端から超音波を出力するための図10の(c)に示す送信クロックを発生し、この送信クロックに同期してスタイラスペン1の超音波を発生する圧電素子6を駆動するための図10の(d)に示す超音波駆動信号を発生する。この超音波駆動信号によりスタイラスペン1の圧電素子6が駆動され、スタイラスペン1の先端からはこの送信クロックが生じている間だけ超音波が出力される。
【0059】
このスタイラスペン1の先端から出力された超音波は超音波受信素子31a、31b、31cで受信され、超音波受信素子31a、31b、31cからはこの超音波の受信に対応して図10の(e)に示すような受信クロックが出力される。
【0060】
そこで、カウンタ321、322、323では、図10の(b)に示す同期信号の立上がりタイミングから図10の(e)に示す受信クロックの立上がりタイミングまでの時間T、すなわち時間Ta、Tb、Tcを基本クロック生成回路324から出力される基本クロック(図10の(a)に示す基本クロックと同一のクロック)を計数することにより求めることができる。
【0061】
このカウンタ321、322、323で計数されたスタイラスペン1の先端から出力される超音波が超音波受信素子31a、31b、31cで検出するまでの時間Ta、Tb、Tcは、受信時間保持回路325、326、327でそれぞれ保持され、通信部33を介して図1に示した演算処理部40に伝えられる。
【0062】
演算処理部40は、この通信部33を介して伝えられた時間Ta、Tb、Tcを通信部41を介して受取り、演算部42においてこの時間Ta、Tb、Tcに基づきスタイラスペン1、2により指示された指示位置を演算算出する。
【0063】
この演算部42においては、まず、前述した式(7)〜(9)に基づき、スタイラスペン1、2から超音波受信素子31a、31b、31cまでの距離n、m、lを算出する。
【0064】
そして、この算出した距離n、m、lおよび前述した式(4)〜(6)に基づき、超音波受信素子31a、31b、31cに固定された3次元座標系X−Y−Z上におけるスタイラスペン1による指示位置(x、y、z)を算出し、更に図6に示した距離Lb+Lcの補正を行うことにより、このスタイラスペン1の先端部2aの表示部50の表示面に対する3次元座標座標を算出する。
【0065】
この補正は、表示部50の表示面に対する法線と3次元座標系のY軸とが平行な位置関係にあるとものとして、上記指示位置(x、y、z)に対して上記距離Lb+Lcに対応する補正値を加減算すればよい。
【0066】
例えば、これを簡単な例で示すと、図11に示すように、表示部50の表示面に対する法線が、図3に示したX−Y−Z座標系のY軸と平行な関係にあった場合は、距離Lb+LcをY軸の座標値から減ずればよい。ここで、この距離Lb+Lcは可能な限り小さくする必要がある。すなわち、この距離Lb+Lcが大きくなると、スタイラスペン1の傾きにより正確な補正ができなくなる。
【0067】
また、判定部43においては、上記演算部42で算出されたスタイラスペン1の先端部2aの表示部50の表示面に対する3次元座標座標に基づきスタイラスペン1の先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否か、すなわちスタイラスペン1のペン芯2が内部に移動しているか否かを判定する。
【0068】
すなわち、判定部43においては、演算部42で算出されたスタイラスペン1の先端部2aの表示部50の表示面に対する3次元座標座標が図12に示すように表示部50の表示面50aの内側の点Pである場合は、スタイラスペン1の先端部2aが表示部50の表示面に当接されていると判定する。
【0069】
表示制御部44では、演算部42による演算結果および判定部43による判定結果に基づき表示部50における表示を制御する。
【0070】
すなわち、表示制御部44では、演算部42により演算されたスタイラスペン1の先端部2aの位置に基づき表示部50の表示面上にカーソルを表示し、判定部43によりスタイラスペン1の先端部2aが表示部50の表示面に当接されていると判定された場合は、この点を、例えば、このスタイラスペン1による描画の開始点として認識してこのスタイラスペン1による描画に対応する画像を表示部50の表示面上に表示する。
【0071】
次に、図1に示した超音波受信部30および演算処理部40の具体的詳細構成について説明する。
【0072】
図13は、スタイラスペン1の内部回路構成を示したものである。図13において、このスタイラスペン1は、このスタイラスペン1からの超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御部11、オペアンプ16を有し送信タイミング制御部11から出力された超音波駆動クロックを増幅するアンプ部15、超音波送出器18を有しアンプ部15から出力される超音波駆動信号により超音波を送出する送出部17を具備している。
【0073】
ここで、超音波送出器18は、図6および図7に示した超音波を発生する圧電素子6に対応する。
【0074】
ところで、この実施例においては、後に詳述する複数のスタイラスペンを同時使用可能なマルチペン機能および複数の表示モードを切替可能なマルチモード機能を可能にしているので、送信タイミング制御部11は、基本クロックを生成するオシレータ(基本クロック生成部)13からの基本クロックに応じてこのスタイラスペン1からの超音波送信タイミング制御の状態遷移を制御するシーケンサ12を有している。
【0075】
図14は、図1に示した超音波受信部30および演算処理部40の具体的構成を示したものである。
【0076】
図14において、超音波受信部30は、受信処理部32、通信部33から構成される。
【0077】
ここで、超音波受信部30は図1に示した超音波受信素子31a、31b、31cから構成される受信センサ部31からの超音波受信出力を入力処理する。
【0078】
受信処理部32には、アンプ部60、受信タイミング制御部70からなり、アンプ部60にはオペアンプ61が設けられ、受信センサ部31から出力される微小信号を受信タイミング制御部70で処理できる信号に増幅する。
【0079】
また、受信タイミング制御部70には、カウンタ、レジスタ71、シーケンサ72、オシレータ73、SCC(シリアル通信制御部)初期化部74が設けられている。
【0080】
ここで、カウンタ、レジスタ71は、図8に示したカウンタ321、322、323および受信時間保持回路325、326、327に対応し、オシレータ73は基本クロックを生成する図8に示した基本クロック生成回路324に対応する。
【0081】
また、シーケンサ72は、オシレータ73から出力される基本クロックに基づきこの受信タイミング制御部70の受信タイミング制御の遷移状態を制御するものである。このシーケンサ72は、図8に示したペンホルダ34の同期回路35からの同期信号(リセット信号)によりリセットされ、図13に示したシーケンサ12に同期して受信タイミング制御部70における受信タイミング制御の遷移状態を制御する。
【0082】
また、通信部33には、SCC(シリアル通信制御部)331およびRS232Cインタフェースを駆動するための232Cドライバ332が設けられており、受信タイミング制御部70から出力された信号をシリアルポートを用いて演算処理部40に転送する。
【0083】
演算処理部40は、図1に示した演算処理部40に対応するもので、所定のアプリケーションが搭載され、スタイラスペン1の指示位置に対応した表示を制御するウインドウ処理部(Win for Pen)、マウスドライバ等を有し、RS232Cインタフェースを介して超音波受信部30の通信部33に接続されるパーソナルコンピュータから構成される。
【0084】
図15は、上記構成において1本のスタイラスペンPen#1を用いた場合の図13に示した送信タイミング制御部11のシーケンサ12による超音波送信タイミング制御の制御例を示したものである。
【0085】
この場合、この1本のスタイラスペンPen#1において、図13に示す送信タイミング制御部11のシーケンサ12からは、時間T間隔の超音波駆動信号がアンプ部15を介して送出部17に与えられ、これによりこの1本のスタイラスペンPen#1の送出部17の超音波送出器からは、図15に示すように、時間T間隔で各超音波送出期間tの超音波を発生する。
【0086】
ここで、この図15に示す場合においては、時間Tの超音波発生間隔を1フレーム#1として、各フレーム#1にこの1本のスタイラスペンPen#1が割り当てられるように構成されている。
【0087】
すなわち、この場合、この1本のスタイラスペンPen#1に割り当てられた時間Tの超音波発生間隔からなるフレーム#1が繰り返されることになる。
【0088】
図14に示した受信タイミング制御部70のシーケンサ72では、この図15に示した各フレーム#1に同期して超音波受信素子31a、31b、31cで受信した受信信号を処理を行い、演算処理部40ではこの1本のスタイラスペンPen#1の位置を演算算出する。
【0089】
ところで、この実施例においては、図12で説明したように図1に示した判別部43において、このスタイラスペンの演算算出位置に基づきこのスタイラスペンの先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、この場合、この1本のスタイラスペンPen#1の位置を時間Tの超音波発生間隔で知ることができ、ここで、この時間Tが、例えば6msecであるとすると、6msec間隔でスタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔でスタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【0090】
図16は、図14および図14に示した構成において、2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2を用いた場合の図13に示した送信タイミング制御部11のシーケンサ12による超音波送信タイミング制御の制御例を示したものである。
【0091】
この場合、この2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2において、図13に示す送信タイミング制御部11のシーケンサ12からは、時間T間隔の超音波駆動信号が交互にアンプ部15を介して送出部17に与えられ、これによりこの2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2の送出部17の超音波送出器からは、図16に示すように、時間T間隔で各超音波送出期間tの超音波を交互に発生する。
【0092】
ここで、この図16に示す場合においては、時間Tの超音波発生間隔を1フレーム#1として、各フレーム#1にこの2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2が交互に割り当てられる。
【0093】
すなわち、この場合、このスタイラスペンPen#1に割り当てられた時間Tの超音波発生間隔からなるフレーム#1およびスタイラスペンPen#2に割り当てられた時間Tの超音波発生間隔からなるフレーム#1が繰り返されることになる。
【0094】
そして、図14に示した受信タイミング制御部70のシーケンサ72では、この図16に示した各フレーム#1に同期して超音波受信素子31a、31b、31cで受信した受信信号を処理を行い、演算処理部40ではこの2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2の位置をそれぞれ演算算出する。
【0095】
ここで、この実施例においては、図12で説明したように図1に示した判別部43において、この2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2のそれぞれの演算算出位置に基づきこの2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2の先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、この場合、各スタイラスペンPen#1の位置を時間2の超音波発生間隔で知ることができ、ここで、この時間Tが、例えば6msecであるとすると、12msec間隔で各スタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔でスタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【0096】
図17は、図14および図14に示した構成において、2本のスタイラスペンPen#1およびPen#2を用い、各スタイラスペンによる描画開始点等を各スタイラスペンに設けられたスイッチのオン、オフにより検出して、このスイッチのオン、オフを示す情報を超音波発生間隔Tの他のフレームに割り当てて送出する構成を採用した場合における図13に示した送信タイミング制御部11のシーケンサ12による超音波送信タイミング制御の制御例を参考までに示したものである。
【0097】
この場合、各スタイラスペンPen#1およびPen#2に対してフレーム#1とフレーム#2の2フレームが割り当てられて、フレーム#1は常時超音波を送出するスタイラスペンPen#1およびPen#2の位置検出用のフレームとして用いられ、フレーム#2は、上記スイッチがオンした場合にのみ超音波を送出するスイッチのオン、オフ検出用のフレームとして用いられる。
【0098】
すなわち、この場合、このスタイラスペンPen#1に割り当てられたそれぞれ時間Tの超音波発生間隔からなるフレーム#1およびフレーム#2と、スタイラスペンPen#2に割り当てられたそれぞれ時間Tの超音波発生間隔からなるフレーム#2が繰り返されることになる。
【0099】
この場合、この時間Tが、例えば6msecであるとすると、各スタイラスペンの位置を知ることができる時間間隔は24msecとなり、滑らかな描画を行うのに要求される時間間隔のぎりぎりの時間間隔でしかでスタイラスペンの位置情報を得ることができず、例えば使用するスタイラスペンの数が3本以上になると滑らかな描画を行うことができない。
【0100】
しかし、この発明のペン入力装置においては、図1に示した判別部43において、各スタイラスペンのそれぞれの演算算出位置に基づき各スタイラスペンの先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否かを判別することができるので、例えば3本のスタイラスペンを用いた場合でも、上記時間Tが、例えば6msecであるとすると、18msec間隔で各スタイラスペンの位置を知ることができるので、滑らかな描画を行うのに充分な時間間隔で各スタイラスペンの位置情報を得ることができる。
【0101】
なお、上記実施例においては、スタイラスペンの先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンの描画開始点を識別するように構成したが、このスタイラスペンの先端部2aが表示部50の表示面に当接されているか否かの判別結果に応じて、このスタイラスペンによる他の表示モードを切り換えるように構成してもよい。
【0102】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、入力ペンに該入力ペンの先端を表示装置の表示面上に当接させることにより入力ペンのペン芯を所定量だけ入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段を設け、この入力ペンに内蔵された超音波発信手段から送出された超音波を上記表示装置の表示面に設けられた複数の超音波受信素子で受信し、演算手段によりこの複数の超音波受信素子の受信出力に基づきペン芯を入力ペン本体内に引き込む前のペン芯の先端の3次元的位置を演算し、この演算されたの3次元的位置に基づき入力ペンによる表示モードを切り換えるように構成したので、入力ペンに操作ボタンを設けずに描画開始位置等を入力することができ、しかも多数のスタイラスペンを使用しても滑らかな描画入力を行うことが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わるペン入力装置を適用して構成した情報処理装置の一実施例の概略構成を示すブロック図。
【図2】図1に示した情報処理装置の外観を示す斜視図。
【図3】図1に示した表示部の表示画面に対して所定の位置関係で配設された3個の超音波受信素子とスタイラスペンによる指示位置の関係を示した図。
【図4】図1に示した実施例で用いるスタイラスペンの概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン芯の先端部を表示部の表示面に当接させていない状態を示す図。
【図5】図1に示した実施例で用いるスタイラスペンの概略構造を示したもので、このスタイラスペンのペン芯の先端部を表示部の表示面に当接させた状態を示す図。
【図6】図4および図5に示したスタイラスペンの超音波送出構造を説明するための図。
【図7】図4乃至図6に示したスタイラスペンのペン芯が表示部の表示面に当接させない場合と、ペン芯を表示部の表示面に当接させた場合とにおける圧電素子および超音波反射部の配設位置および超音波通過窓からペン芯の先端部の先端までの距離の変化の様子を示した図。
【図8】図1に示した超音波受信部における受信処理部の具体的構成を示したブロック図。
【図9】図8に示したスタイラスペンにおける基本クロックと超音波送出タイミングとの関係を示すタイミングチャート。
【図10】図8に示したカウンタによる超音波受信時間の検出動作を示すタイミングチャート。
【図11】図9に示した超音波通過窓からペン芯の先端までの距離の補正処理を説明する図。
【図12】図1に示した判別部によるスタイラスペンの先端部が表示部の表示面に当接されているか否かを判別する処理を説明するための図。
【図13】図1に示したスタイラスペンの内部回路の具体的構成例を示したブロック図。
【図14】図1に示した超音波受信部および演算処理部の具体的構成を示したブロック図。
【図15】図13および図14に示した構成において1本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の一例を示したタイミングチャート。
【図16】図13および図14に示した構成において2本のスタイラスペンを用いた場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の一例を示したタイミングチャート。
【図17】図14および図14に示した構成において、2本のスタイラスペンを用い、各スタイラスペンによる描画開始点等を各スタイラスペンに設けられたスイッチのオン、オフにより検出して、このスイッチのオン、オフを示す情報を他のフレームに割り当てて送出うする構成を採用した場合における送信タイミング制御部のシーケンサによる超音波送信タイミング制御の制御例を示す図。
【符号の説明】
1…スタイラスペン、30…超音波受信部、31a,31b,31c…超音波受信素子、32…受信処理部、33…通信部、40…演算処理部、41…通信部、50…表示部
Claims (3)
- 所定の入力面に対する入力ペンによる指示位置を入力するペン入力装置において、
前記入力ペンに内蔵される超音波発信手段と、
前記所定の入力面に対して所定の位置関係で配設され、前記超音波発信手段から発信されて前記入力ペンのペン先から放射される超音波を受信する複数の超音波受信素子と、
前記入力ペンと分離して設けられ、所定周期の同期信号を発生する同期信号発生手段と、
前記入力ペンに設けられ、前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期して前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを制御する送信タイミング制御手段と、
前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号を基準としてそれぞれ検出する受信タイミング検出手段と、
前記入力ペンに設けられ、該入力ペンの先端を前記表示装置の表示面上に当接させることにより前記入力ペンのペン芯を所定量だけ前記入力ペン本体内に引き込むペン芯移動手段と、
前記受信タイミング検出手段で検出した前記複数の超音波受信素子による前記超音波の受信タイミングおよび前記入力ペンのペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記超音波発信手段から前記ペン芯の先端までの距離に基づき前記所定の入力面に対する前記ペン芯を前記入力ペン本体内に引き込む前の前記ペン芯の先端の仮想的3次元的位置を演算する演算手段と、
前記演算手段で演算された前記ペン芯の先端の仮想的3次元的位置が前記所定の入力面から所定の距離入った内側の位置である場合は、該位置に対応する前記所定の入力面上の位置を前記入力ペンによる指示位置として判別する判別手段と
を具備することを特徴とするペン入力装置。 - 前記所定の入力面は、
前記入力ペンにより描画された画像を表示する表示装置の表示画面上に設定される
ことを特徴とする請求項1記載のペン入力装置。 - 前記同期信号発生手段は、
前記入力ペンの不使用時に該入力ペンを収容するペンホルダに設けられ、
前記送信タイミング制御手段は、
前記入力ペンが前記ペンホルダに収容された状態で前記超音波発信素子から送出される超音波の送信タイミングを前記同期信号発生手段から発生される同期信号に同期させる
ことを特徴とする請求項1記載のペン入力装置。
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